(57)【要約】  複数のペロブスカイトオプトエレクトロニクスデバイスの性能を評価するシステム及び方法が開示される。システムは、チャンバと、光源と、測定のために複数のデバイスの中からデバイスを選択するためのスイッチボードと、前記デバイスに電圧を印加するＤＣ電圧源と、前記デバイスの電流を測定するためのソース／測定ユニット（ＳＭＵ）と、少なくとも前記ＳＭＵ、前記ＤＣ電圧源、前記スイッチボード、および前記光源を制御するコンピュータ実行可能命令を含むソフトウェアプログラムで実現されるコンピュータと、を備える。システムを用いた、コンピュータにより実行される性能評価方法は、デバイスのヒステリシス挙動を分析するために、第１の手順による第１の電流対電圧（Ｉ−Ｖ）データ及び第２の手順による第２の電流対電圧（Ｉ−Ｖ）データの少なくとも一方を取得することを含む。
2019519185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のデバイスの性能を評価するシステムであって、
前記複数のデバイスを保持するよう構成されたデバイスホルダを収容し、窓で封止される開口を規定するチャンバ壁を有するチャンバと、
前記窓を介して前記チャンバに入射し前記デバイスホルダ内の複数のペロブスカイト太陽電池である前記複数のデバイスを照らす光を放出する光源と、
測定のために前記複数のデバイスの中からデバイスを選択できるように、前記デバイスホルダに接続されたスイッチボードと、
前記スイッチボードに接続され、前記デバイスに電圧を印加するＤＣ電圧源と、
前記デバイスの電流を測定するために、前記スイッチボードに接続されたソース／測定ユニット（ＳＭＵ）と、
前記デバイスのヒステリシス挙動を解析するために、少なくとも前記ＳＭＵ、前記ＤＣ電圧源、前記スイッチボード、および前記光源を制御し、第１の手順に基づく第１の電流対電圧（Ｉ−Ｖ）データおよび第２の手順に基づく第２のＩ−Ｖデータの少なくとも一方を取得するコンピュータ実行可能命令を含むソフトウェアプログラムで実現されるコンピュータと、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記ＤＣ電圧源は、時間の階段関数の形で電圧を印加するように制御され、電圧の段階的増加は順方向走査の場合に与えられ、電圧の段階的減少は逆方向走査の場合に与えられ、
前記ＳＭＵは、前記順方向走査の場合、電圧の各段階的増加の後に、前記逆方向走査の場合、電圧の各段階的減少の後に、取得時間中の電流値を測定するよう制御される、
請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の手順は、前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第１のＩ−Ｖデータを取得するために、各電圧値に対して前記取得時間にわたる前記電流値の平均値を求めることを含む、
請求項２に記載のシステム
【請求項４】
前記第２の手順は、前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第２のＩ−Ｖデータを取得するために、各電圧値に対する定常状態電流値を取得することを含む、
請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記定常状態電流値は、過渡信号モデルに基づいて取得され、
前記順方向走査の場合、各電圧値に対して前記取得時間中に測定される電流値は、指数関数的成長方程式にフィッティングされ、前記逆方向走査の場合、各電圧値に対して前記取得時間中に測定される電流値は、指数関数的減衰方程式にフィッティングされ、前記指数関数的成長方程式および前記指数関数的減衰方程式において無限に時間をかけることによって前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記定常状態電流値を取得する、
請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記階段関数の前記形を決定するための電圧制御パラメータは、前記コンピュータを介して取得され、前記電圧制御パラメータは、前記第２の手順に対するものよりも前記第１の手順に対するものの方が短い前記取得時間を含む、
請求項２記載のシステム。
【請求項７】
前記スイッチボードは、前記複数のデバイスにわたって前記測定のためにデバイスを順番に選択するように制御される、
請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記ＤＣ電圧源は、動作状態となる他のデバイスにバイアス電圧を印加するよう制御される、
請求項１記載のシステム。
【請求項９】
少なくとも前記ＳＭＵおよび前記ＤＣ電圧源は、所定の間隔で、前記デバイスの前記電流を測定することを繰り返すよう制御され、
前記ソフトウェアプログラムは、繰り返し取得される前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第１のＩＶデータおよび繰り返し取得される前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第２のＩ−Ｖデータの少なくとも一方に基づいて時間の関数として性能パラメータを抽出するように構成されており、前記性能パラメータは、電力変換効率（ＰＣＥ）、短絡電流（Ｊｓｃ）、開回路電圧（Ｖｏｃ）、最大電力点（ＭＰＰ）、ＭＰＰでの電流（Ｉ＠ＭＰＰ）、ＭＰＰでの電圧（Ｖ＠ＭＰＰ）、および最適な外部抵抗の少なくとも１つを含む、
請求項２記載のシステム。
【請求項１０】
１種類以上のガスを前記チャンバに注入するために、チャンバ壁と接続されたガス注入口と、
前記チャンバ内を真空化又は排気するために、前記チャンバ壁と接続されたガス出口と、
を備える請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記チャンバ内の相対湿度および温度を含む環境を監視するために、前記チャンバ内に収容され、前記コンピュータと通信する１又は複数のセンサ、
を備える請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
複数のデバイスを保持するデバイスホルダを収容し、窓により封止される開口を規定するチャンバ壁を有するチャンバと、前記窓を介して前記チャンバに入射し前記デバイスホルダ内の複数のペロブスカイト太陽電池である前記複数のデバイスを照らす光を放出する光源と、前記デバイスホルダに接続されたスイッチボードと、前記スイッチボードに接続されたＤＣ電圧源と、前記スイッチボードに接続されたソース／測定ユニット（ＳＭＵ）、少なくとも前記ＳＭＵ、前記ＤＣ電圧源、前記スイッチボードおよび前記光源と接続されたコンピュータと、を備えるシステムを用いることにより、前記複数のデバイスの性能を評価する、前記コンピュータにより実行される方法であって、
前記スイッチボードによって、測定のために、前記複数のデバイスの中からデバイスを選択し、
前記ＤＣ電圧源によって、順方向走査の場合、電圧を段階的に増加させ、逆方向走査の場合電圧を段階的に減少させ、時間の階段関数の形で電圧を前記デバイスに印加し、
取得時間中の電流値を、前記順方向走査の場合、電圧の各段階的増加後に、前記逆方向走査の場合、電圧の各段階的減少後に測定して、前記ＳＭＵによって、前記デバイスの電流を測定し、
前記デバイスのヒステリシス挙動を解析するために、前記測定された電流値に基づいて、第１の手順に基づく第１の電流対電圧（Ｉ−Ｖ）データおよび第２の手順に基づく第２のＩ−Ｖデータの少なくとも一方を取得する、
処理を含む方法。
【請求項１３】
前記第１の手順は、前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第１のＩ−Ｖデータを取得するために、各電圧値に対して前記取得時間にわたる前記電流値の平均値を求めることを含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の手順は、前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第２のＩ−Ｖデータを取得するために、各電圧値に対する定常状態電流値を取得することを含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記定常状態電流値は、過渡信号モデルに基づいて取得され、
前記順方向走査の場合、各電圧値に対して前記取得時間中に測定される電流値は、指数関数的成長方程式にフィッティングされ、前記逆方向走査の場合、各電圧値に対して前記取得時間中に測定される電流値は、指数関数的減衰方程式にフィッティングされ、前記指数関数的成長方程式および前記指数関数的減衰方程式において無限に時間をかけることによって前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記定常状態電流値を取得する、
請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の手順に対するものよりも前記第１の手順に対するものの方が短い前記取得時間を含む、前記階段関数の前記形を決定するための電圧制御パラメータを取得する、
処理を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記選択する処理は、前記スイッチボードにより前記測定のために前記複数のデバイスにわたりデバイスを順番に選択する処理を含み、
前記印加する処理は、前記ＤＣ電圧源によって、動作状態となる他のデバイスにバイアス電圧を印加する処理を含む、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記印加する処理〜前記取得する処理を所定の間隔で繰り返し、
繰り返し取得される前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第１のＩＶデータおよび繰り返し取得される前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第２のＩ−Ｖデータの少なくとも一方に基づいて時間の関数として性能パラメータを抽出する、
処理を含み、
前記性能パラメータは、電力変換効率（ＰＣＥ）、短絡電流（Ｊｓｃ）、開回路電圧（Ｖｏｃ）、最大電力点（ＭＰＰ）、ＭＰＰでの電流（Ｉ＠ＭＰＰ）、ＭＰＰでの電圧（Ｖ＠ＭＰＰ）、および最適な外部抵抗の少なくとも１つを含む、
請求項１２記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも前記ＳＭＵおよび前記ＤＣ電圧源を制御して、バイアス電圧を前記デバイスに印加し、前記電流が定常状態に達するまで前記電流を測定することにより、定常状態電流値を測定する、
処理を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記チャンバ内に収容された１又は複数のセンサによって、前記チャンバ内の相対湿度および温度を含む環境を監視する、
処理を含む請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペロブスカイトオプトエレクトロニクスデバイスにおいて顕著なヒステリシス効果を考慮することによってペロブスカイトオプトエレクトロニクスデバイスを自動で性能評価するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池（光電池とも呼ばれる）は、光起電力効果を示す半導体を用いて太陽エネルギーを電気に変換する電気デバイスである。太陽光発電は、地球規模の導入量という点では、今や、水力および風力に次ぐ、第３の最も重要な再生可能エネルギー源である。太陽電池の構造は、ｐｎ接合のコンセプトをベースとしており、太陽放射からの光子を電子正孔対に変換する。商用の太陽電池に使用されている半導体の例としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、テルル化カドミウム、および二セレン化銅インジウムガリウムが挙げられる。市販の電池における太陽電池エネルギー変換効率は、現在、約１４〜２２％と報告されている。
【０００３】
高い変換効率、長期間にわたる安定性、および低コストでの製造が、太陽電池の商業化には欠かせない。そのため、太陽電池における従来の半導体を置換する目的で、多種多様な材料が研究されている。例えば、有機半導体を用いる太陽電池技術は比較的新しく、これらの電池は、溶液から加工され、潜在的に安価で大規模な製造につながる可能性がある。有機材料に加えて、有機金属ハライドペロブスカイト、例えば、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＸ３（Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、又はその組み合わせ）は、最近、次世代の高効率、低コストの太陽光技術における有望な材料として頭角を現している。これらの合成ペロブスカイトは、そのエネルギーをセル内で熱として失う代わりに、光生成の電子および正孔が電流として抽出されるのに十分遠くまで移動できる高い電荷担体移動度および寿命を示すことが報告されている。これらの合成ペロブスカイトは、溶液法、真空蒸着技術、化学気相成長法（ＣＶＤ）等、有機太陽電池に使用される技術と同一の薄膜製造技術を用いて製造できる。
【０００４】
最近の報告書では、この種の材料、すなわち、有機金属ハライドペロブスカイトが、他のオプトエレクトロニクスデバイスにおいても高性能半導体媒質になる可能性を有することが示されている。特に、ペロブスカイトの中には、強いフォトルミネセンス特性を示すものがあることが知られており、発光ダイオード（ＬＥＤ）用の魅力的な候補となっている。さらに、ペロブスカイトは、コヒーレント光放出特性、つまり、光増幅特性も示し、電動レーザ用に適していることが報告されている。これらのデバイスでは、電子および正孔キャリアがフォトルミネセンス媒質に注入されるのに対し、太陽電池デバイスでは、キャリア抽出が必要とされる。
【０００５】
有機金属ハライドペロブスカイトをベースとした太陽電池は、光電流の電圧走査方向への強い依存性を含むヒステリシス挙動を示すことが報告されている。これらの電池におけるヒステリシスは、主に、ペロブスカイト粒径および下地電子輸送層の構造の影響を受ける。ヒステリシス効果は、通常、Ｓｉ又は他のタイプの太陽電池と比較して、ペロブスカイト太陽電池における高いキャパシタンスに関連する。ペロブスカイト太陽電池において顕著なこのようなヒステリシス効果は、過去に報告された効率値の精度を中心とする懸念を生じさせるため、ペロブスカイト太陽電池の性能の測定および報告について従来よりも優れた手法が必要である。すなわち、ペロブスカイト太陽電池を特徴付けるための一貫した信頼性のある測定規則のセットを見つけることが重要である。市販の測定システムの中には、ペロブスカイトのヒステリシス挙動の物理的原因であると考えられる、可動イオン、強誘電性又は深い捕獲サイトの影響を調査するのに使用できるプレコンディショニングを提供するものもある。しかしながら、これらは、典型的な太陽電池の評価および査定の単なる追加的な工程であり、十分に正確ではないことが多い。
【０００６】
ペロブスカイトベースのオプトエレクロトニクスデバイスに関するヒステリシス挙動および他の顕著な特性に関連する上記の問題に鑑み、本文書は、一貫した信頼性の高い仕様のセットを備える高スループットの方法に基づきペロブスカイトデバイスの性能を測定および評価するための制御ソフトウェアを含む自動化された包括的システムを記載する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】L. K. Ono et al., Pinhole-free hole transport layers significantly improve the stability of MAPbI3-based perovskite solar cells under operating conditions, J. Mater. Chem. A 3, 15451-15456 and Supporting Information (2015)
【非特許文献２】L. K. Ono et al., Temperature-dependent hysteresis effects in perovskite-based solar cells, J. Mater. Chem. A 3, 9074-9080 (2015)
【発明の概要】
【０００８】
複数のペロブスカイトオプトエレクトロニクスデバイスの性能を評価するシステムおよび方法が開示される。システムは、複数のデバイスを保持するよう構成されたデバイスホルダを収容し、窓で封止される開口を規定するチャンバ壁を有するチャンバと、前記窓を介して前記チャンバに入射し前記デバイスホルダ内の、複数のペロブスカイト太陽電池である前記複数のデバイスを照らす光を放出する光源と、測定のために前記複数のデバイスの中からデバイスを選択できるように、前記デバイスホルダに接続されたスイッチボードと、前記スイッチボードに接続され、前記デバイスに電圧を印加するＤＣ電圧源と、前記デバイスの電流を測定するために、前記スイッチボードに接続されたソース／測定ユニット（ＳＭＵ）と、少なくとも前記ＳＭＵ、前記ＤＣ電圧源、前記スイッチボード、および前記光源を制御するためのコンピュータ実行可能命令を含むソフトウェアプログラムにより実現されるコンピュータと、を備える。本システムを用いた、前記コンピュータにより実行される性能評価の方法は、前記複数のデバイスの中から測定対象のデバイスを、前記スイッチボードによって選択し、前記ＤＣ電圧源によって、順方向走査の場合、電圧を段階的に増加させ、逆方向走査の場合、電圧を段階的に減少させ、時間の階段関数の形で電圧を前記デバイスに印加し、取得時間中の電流値を、前記順方向走査の場合、電圧の各段階的増加後に、前記逆方向走査の場合、電圧の各段階的減少後に測定して、前記ＳＭＵによって、前記デバイスの電流を測定し、前記デバイスのヒステリシス挙動を解析するために、前記測定された電流値に基づいて、第１の手順に基づく第１の電流対電圧（Ｉ−Ｖ）データおよび第２の手順に基づく第２のＩ−Ｖデータの少なくとも一方を取得する、処理を含む。前記第１の手順は、各電圧値に対して前記取得時間にわたる前記電流値の平均値を求めることを含む。前記第２の手順は、各電圧値に対する定常状態電流値を取得するための過渡信号モデリングを含む。繰り返し取得される前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第１のＩＶデータおよび繰り返し取得される前記順方向走査および前記逆方向走査に対する前記第２のＩ−Ｖデータの少なくとも一方に基づいて性能パラメータの時間発展を得るために、測定は、所定の時間間隔で繰り返される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、ペロブスカイトオプトエレクトロニクスデバイスの性能評価のための本システムのブロック図である。
【図２】図２は、コンピュータにインストールされたソフトウェアプログラムのアーキテクチャを示すブロック図である。
【図３】図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、チャンバ（ＰＡＲＴ  Ａ）の上面図および側面図を示し、機械構造の詳細を示している。
【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、チャンバの上面図および側面図を示し、ガス接続の詳細を示している。
【図５】図５は、チャンバ（ＰＡＲＴ  Ａ）内のデバイスホルダ内の複数のデバイス、スイッチングボード（ＰＡＲＴ  Ｃ）内の複数のスイッチ、ＧＰＩＢカードを備えるＳＭＵ（ＰＡＲＴ  ＤおよびＰＡＲＴ  Ｅ）、およびＤＣ電圧源（ＰＡＲＴ  Ｇ）の接続を示すブロック図である。
【図６】図６は、サブプログラムＰＡＲＴ  Ｉがスイッチボードを制御するためのユーザインプットを取得するユーザインタフェースの一例を示す写真である。
【図７】図７は、太陽電池の性能を評価するための第１の手順に基づき第１のＩ−Ｖ測定を実行するサブプログラムＰＡＲＴ  Ｋの例示を助けるための、Ｉ−Ｖデータの例のプロットを示す。
【図８】図８は、第１の手順に基づき第１のＩ−Ｖ測定を実行するためのサブプログラムＰＡＲＴ  ＫおよびＰＡＲＴ  Ｊに従った例示的な処理を示す。
【図９】図９は、太陽電池の性能を評価するための第２の手順に基づき第２のＩ−Ｖ測定を実行するサブプログラムＰＡＲＴ  Ｌの例示を助けるための、印加電圧対時間および対応する光電流対時間の例のプロットを示す。
【図１０】図１０は、概略のＩ−Ｖカーブを過渡信号モデル方程式（１）および（２）と共に示す図であり、ＦＷ走査の場合の指数関数的成長およびＲＳ走査の場合の指数関数的減衰をそれぞれ表す。
【図１１】図１１は、第２の手順に基づき第２の測定を実行するためのサブプログラムＰＡＲＴ  Ｌの例示を助けるための、光電流対印加電圧の例のプロットを示す。
【図１２】図１２は、過渡信号モデリングを含む第２の手順に基づき第２のＩ−Ｖ測定を実行するためのサブプログラムＰＡＲＴ  ＬおよびＰＡＲＴ  Ｊの例示的な処理を示す。
【図１３】図１３は、時間の関数としての測定された光電流の例示的なプロットを示す。
【図１４】図１４は、Ｖ＠ＭＰＰ、Ｉ＠ＭＰＰ、ＭＰＰ、および最適外部抵抗値の時間発展の例のプロットを示し、（ａ）はＦＷ走査の場合であり、（ｂ）はＲＳ走査の場合である。
【図１５】図１５は、ＰＣＥ、Ｊｓｃ、ＶｏｃおよびＦＦの時間発展の例のプロットを示し、（ａ）はＦＷ走査の場合であり、（ｂ）は、ＲＳ走査の場合であり、（ｃ）は平均の場合である。
【図１６】図１６は、１００時間の相対湿度および温度の値の例のプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
有機金属ハライドペロブスカイト膜を作製するためのソース材料は、ＰｂＣｌ２、ＰｂＢｒ２、ＰｂＩ２、ＳｎＣｌ２、ＳｎＢｒ２、ＳｎＩ２等のハライド金属、並びにＣＨ３ＮＨ３Ｃｌ、ＣＨ３ＮＨ３Ｂｒ、ＣＨ３ＮＨ３Ｉ等のメチルアンモニウム（ＭＡ＝ＣＨ３ＮＨ３＋）化合物を含む。ＭＡ化合物に代えて、又は、ＭＡ化合物と組み合わせて、ホルムアミジニウム（ＦＡ＝ＨＣ（ＮＨ２）２＋）化合物も使用することができる。有機金属ハライドペロブスカイトは、一般的に、ＡＢＸ３で表され、有機元素、ＭＡ、ＦＡ又は他の適切な有機元素が各Ａサイトを占め、金属元素、Ｐｂ２＋又はＳｎ２＋が各Ｂサイトを占め、ハロゲン元素、Ｃｌ−、Ｉ−又はＢｒ−が各Ｘサイトを占める。ソース材料は、ＡＸおよびＢＸ２によって表され、ＡＸは、Ｘ−アニオンとしてのハロゲン元素Ｃｌ、Ｉ又はＢｒと結合されたＡ−カチオンとしての有機元素ＭＡ、ＦＡ又は他の適切な有機元素を有する有機ハライド化合物を表し、ＢＸ２は、Ｘ−アニオンとしてのハロゲン元素Ｃｌ、Ｉ又はＢｒと結合されたＢ−カチオンとしての金属元素Ｐｂ又はＳｎを有する金属ハライド化合物を表す。ここで、ＡＸにおける実際の元素ＸおよびＢＸ２における実際の元素Ｘは、ハロゲン基から選択されるものであれば同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、ＡＸにおけるＸはＣｌにすることができ、ＢＸ２におけるＸは、Ｃｌ、Ｉ又はＢｒにすることができる。したがって、混合ペロブスカイト、例えば、ＭＡＰｂＩ３−ｘＣｌｘの形成が可能である。「ペロブスカイト」および「有機金属ハライドペロブスカイト」の語は、本文書では同義語および同意語として用いられる。
【００１１】
有機金属ハライドペロブスカイトは、太陽電池、ＬＥＤ、レーザ等のオプトエレクトロニクスデバイスの活性層に用いることができる。ここで、「活性層」とは、光起電力デバイスでは、電荷キャリア（電子と正孔）への光子の変換が発生する吸収層を指し、フォトルミネッセンス（すなわち、発光）デバイスの場合、電荷キャリアが結合して光子を生成する層を指す。
【００１２】
ペロブスカイトベースのデバイスの性能を測定し評価するために、制御ソフトウェアプログラムを含む自動化された包括的システムの開発が検討される。本システムおよびソフトウェアプログラムは、高スループットな方法を用いることによって、ペロブスカイトベースのオプトエレクトロニクスデバイスにおいて顕著なヒステリシス効果を特に考慮するように構成されている。本実施形態に係るコンピュータにより実施される方法を実行するためのシステムおよび制御ソフトウェアの詳細を、図面を参照して以下に説明する。
【００１３】
図１は、ペロブスカイトオプトエレクトロニクスデバイスの性能評価のための本システムのブロック図である。ＰＡＲＴ  Ａは、試験デバイスが載置されるチャンバを表す。複数のデバイスを保持するために、デバイスホルダ１０４がチャンバ内に収容されている。デバイスホルダ１０４は、複数のデバイスが挿入される２以上のソケットを有するように構成されていてもよいし、各ソケットが１以上のデバイスを保持するように構成されていてもよい。ソケットの数、各ソケットが保持できるデバイスの数は変更可能である。したがって、試験されるデバイスの数（Ｎ）も変更可能である。チャンバは、乾燥Ｎ２、乾燥Ｏ２、並びに湿度、温度、圧力および他のパラメータが制御された他のガスを供給するよう制御された外部のガス源に接続されたガス注入口１０８を有する。加減弁１１２を備えるダクトがチャンバに入るガスフローを制御するための例として図示されているが、当業者によって着想されるように、他の制御手段を利用することができる。また、チャンバは、真空化および排気を制御するために、この例では、加減弁１２０を備えるダクトを介して真空ポンプに接続されたガス出口１１６を有する。湿度センサ、温度センサ、または、その組み合わせをチャンバ内に収容し、チャンバ（ＰＡＲＴ  Ａ）内のデバイスホルダ１０４に載置された試験デバイスの周囲の環境を監視してもよい。これらのセンサは、コンピュータと通信するように構成することができる。すなわち、コンピュータにインストールされたソフトウェアプログラムは、１以上のセンサによって測定又は監視されたデータを取得するよう構成することができる。チャンバの上部開口は、光が出入りする、石英のようなガス不透過性材料からなる窓として機能する蓋で覆われ、密閉されることができる。図示された実施形態の態様を不明瞭にすることを避けるために、湿度センサおよび温度センサ並びに蓋は図１では省略されていることを理解されたい。
【００１４】
図１の構成例において、ＰＡＲＴ  Ｂは、ＰＡＲＴ  Ａの上に配置され、デバイスが太陽電池の場合には太陽シミュレータ等の光源を表し、デバイスがＬＥＤ、レーザ、又は光を発する他のオプトエレクトロニクスデバイスの場合、光検出器を表す。太陽電池を測定対象のデバイスとして選択する場合、太陽シミュレータは、チャンバの上部に取り付けられた窓を介してチャンバ内のデバイスを照らすように構成される。ＬＥＤ、レーザ、および他の発光デバイスを測定対象として選択する場合、光検出器は、チャンバの上部に取り付けられた窓を介してチャンバ内のデバイスから放出された光子を測定するように構成される。前述したように、チャンバの上部開口は、光が出入りする、石英のようなガス不透過性材料からなる窓として機能する蓋で覆われ、密閉されることができる。以下では、太陽電池を試験する場合の詳細について説明する。光の方向を変えること、又は、光子を電子−正孔対に変換する機構を電子−正孔対を光子に変換する機構に反転させることによって、発光素子を試験する場合にも、同様の構成および手順を適用することができる。
【００１５】
ＰＡＲＴ  Ｃは、Ｎ個のデバイスの中から特定のデバイスを選択できるように、チャンバ内のデバイスホルダに接続されたスイッチボードを表す。以下に詳述するように、スイッチボードはソフトウェアプログラムと連動しており、複数のデバイスを順次測定することができる。スイッチボードは、スケーラビリティに適した拡張可能なリレーベースのスイッチボードを含むように構成してもよい。
【００１６】
ＰＡＲＴ  Ｄは、スイッチボードに接続されたソース／測定ユニット（ｓｏｕｒｃｅ／ｍｅａｓｕｒｅ  ｕｎｉｔ：ＳＭＵ）を表す。ＳＭＵは、ある解像度を有する電圧供給および／又は電流供給のための機器である。ＳＭＵは、デバイスの電流対電圧（Ｉ−Ｖ）特性を決定するために、電流および電圧をスイープするために最適化することができる。ＳＭＵは、特に半導体産業において広く採用されており、一般的に自動試験システムに使用されている。ＰＡＲＴ  Ｅは、汎用インタフェースバス（ｇｅｎｅｒａｌ−ｐｕｒｐｏｓｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  ｂｕｓ：  ＧＰＩＢ）を表す。ＰＡＲＴ  Ｆは、ＬａｂＶＩＥＷ（商標）プラットフォームなどの市販のシステム設計プラットフォームに書き込むことができるソフトウェアプログラムがインストールされたコンピュータを表す。スイッチボード（ＰＡＲＴ  Ｃ）は、コンピュータ（ＰＡＲＴ  Ｆ）にインストールされたソフトウェアプログラムによって制御され、各測定のために順次デバイスを選択する。ＳＭＵ（ＰＡＲＴ  Ｄ）も、ＳＭＵとコンピュータとの間を通信可能にするＧＰＩＢ（ＰＡＲＴ  Ｅ）を介してコンピュータ（ＰＡＲＴ  Ｆ）に接続される。スイッチボードと接続されたＳＭＵは、一度に１つのデバイスの複数のＩ−Ｖカーブを取得するために電流を測定するよう制御される。測定下のデバイスが太陽電池である場合、ＰＡＲＴ  Ｂ内の太陽シミュレータ等の光源は、図１に実線で示されるように、コンピュータ内のソフトウェアプログラムによって制御される。デバイスがＬＥＤ、レーザ、および他の発光デバイスである場合、ＰＡＲＴ  Ｂの光検出器は、コンピュータ内のソフトウェアプログラムによって制御され、放出された光子を捕捉し、図１に破線で示すように、データはコンピュータによって取得される。
【００１７】
ＰＡＲＴ  Ｇは、スイッチボード（ＰＡＲＴ  Ｃ）に接続されたＤＣ電圧源で、測定下のデバイスに電圧を印加し、他のデバイスには動作状態を維持するようバイアス電圧を印加する。コンピュータ（ＰＡＲＴ  Ｆ）にインストールされたソフトウェアプログラムは、少なくとも、スイッチボード、ＳＭＵ、ＤＣ電圧源、および光源又は光検出器を制御するための指示を含む。ソフトウェアプログラムは、さらに、チャンバ（ＰＡＲＴ  Ａ）内に収容された湿度センサ、温度センサ、またはそれらの組み合わせを含む１つまたは複数のセンサによって測定／監視されるチャンバの内部環境に関する情報を取得するように構成することができる。
【００１８】
図２は、コンピュータで実施されるソフトウェアプログラムのアーキテクチャを示すブロック図である。ソフトウェアプログラムは、コンピュータのメモリ、ＣＤまたはコンピュータに関連付けられた他の媒体に格納され、プロセッサによって実行されると、以下に説明するような様々なステップおよびタスクを含む、コンピュータにより実装される方法を実行するコンピュータ実行可能命令を含む。ソフトウェアプログラムは、主制御プログラムと、複数のサブプログラムとを含む。ＰＡＲＴ  Ｈは、サブプログラムを制御し、必要なアルゴリズムを含む主プログラムである。ＰＡＲＴ  Ｉは、デバイスホルダ１０４内のＮ個のデバイスの中から特定のデバイスを選択するようにスイッチボードを制御するサブプログラムである。選択は、Ｎ個のデバイスの初めから終わりまで順に行われる。ＰＡＲＴ  Ｊは、他のデバイスにバイアス電圧を印加して他のデバイスを動作状態に維持したまま、ＳＭＵによる測定下のデバイスに電圧を印加するようＤＣ電圧源を制御するサブプログラムである。ＰＡＲＴ  Ｋは、ＳＭＵを制御し、第１の手順（第１のＩ−Ｖ測定）に基づいて第１のＩ−Ｖデータを取得するために、選択したデバイスの電流を測定するサブプログラムである。ＰＡＲＴ  Ｌは、ＳＭＵを制御し、第２の手順（第２のＩ−Ｖ測定）に基づいて第２のＩ−Ｖデータを取得するために選択したデバイスの電流を測定するサブプログラムである。第１および第２の手順の詳細は、本文書において後述する。ＰＡＲＴ  Ｍは、ＳＭＵを制御し、制御されたスイッチボードによって選択されたデバイスの定常状態光電流測定を実行するサブプログラムである。本明細書において「光電流」とは、光起電力効果の結果として生じる、デバイスを流れる電流を指す。以下では、当業者にとって変換がささいであり明白であるため、「電流」、「光電流」および「光電流密度」の語は、本文書において同義的および互換的に使用される。ＰＡＲＴ  Ｎは、少なくともＳＭＵおよびＤＣ電圧源を制御し、制御されたスイッチボードによって選択されたデバイスの安定性測定を行うサブプログラムである。システムがＬＥＤ、レーザおよび他の発光デバイスの性能評価に使用される場合、ＰＡＲＴ  Ｏは、光検出器（ＰＡＲＴ  Ｂ）からのデータの取得を制御するサブプログラムである。ＰＡＲＴＰは、チャンバ内に収容された１以上のセンサによって監視される、相対湿度および温度等のチャンバ内の環境のデータの取得を制御するサブプログラムである。
【００１９】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、チャンバ（ＰＡＲＴ  Ａ）の上面図および側面図を示し、機械的構造の詳細を示している。チャンバは、チャンバ壁３０４の内部表面３０８を規定するチャンバ壁３０４、および上部に開口３１２を有する。図３（Ａ）および図３（Ｂ）の例では、チャンバ壁３０４は、底の正方形部と、４つの縁にそれぞれ垂直に取り付けられたおよび４つの矩形部と、を備え、開放上部３１２を画定する。チャンバ壁３０４は、チャンバ壁３０４に形成され、上部開口３１２の上に蓋を固定するためにネジまたは他の固定手段が挿入される複数の孔３１６を有する。蓋は、石英のようなガス不浸透性材料で作製することができ、光が出入りする窓を提供する。開口３１２上の蓋のシール性を高めるためのＯリングを収容するために、溝３２０が開口の周りに形成されている。２以上のデバイスを保持するために、デバイスホルダ１０４がチャンバ内に収容され、チャンバ壁３０４の内面３０８によって囲まれている。図３（Ａ）および図３（Ｂ）の例では、デバイスホルダ１０４は、複数のソケット３２８を含み、各ソケット３２８は、１つ以上のデバイスを保持するように構成されている。デバイスホルダ１０４は、チャンバ壁３０８に形成された孔３３２を通る電線に接続されている。
【００２０】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、チャンバの上面図および側面図を示し、ガス接続の詳細を示している。チャンバは、乾燥Ｎ２、乾燥Ｏ２、並びに湿度、温度、圧力および他のパラメータが制御された他のガスを供給するよう制御された外部のガス源に接続されたガス注入口１０８を有する。加減弁１１２を備えるダクトがチャンバに入るガスフローを制御するための例として図示されているが、当業者によって着想されるように、他の制御手段を利用することができる。ガス注入口１０８のダクトのためのチャンバ壁の孔は、本図では破線によって示されている。また、チャンバは、真空化制御および排気制御のために、ダクトを介して排気システム又は真空ポンプに接続されたガス出口１１６を有する。ガス出口１１６のダクトのためのチャンバ壁の孔は、本図では破線によって示されている。湿度センサおよび温度センサをチャンバ内に設置することができ、本図において破線で示される孔４０４を介した接続によってコンピュータと接続することができる。
【００２１】
図５は、チャンバ（ＰＡＲＴ  Ａ）内のデバイスホルダ１０４内の複数のデバイス、スイッチングボード（ＰＡＲＴ  Ｃ）内の複数のスイッチ、ＧＰＩＢカードを備えるＳＭＵ（ＰＡＲＴ  ＤおよびＰＡＲＴ  Ｅ）、およびＤＣ電圧源（ＰＡＲＴ  Ｇ）の接続を示すブロック図である。これらの部品は、全て各機能を制御するためのソフトウェアプログラムを含むコンピュータ（ＰＡＲＴ  Ｆ）に接続されている。この例では、１Ｒ、２Ｒ、３Ｒ、１Ｌ、２Ｌおよび３Ｌが付された６つのデバイスがデバイスホルダ１０４に載置されている。それに応じて、スイッチ１〜６の６つのスイッチがスイッチボード（ＰＡＲＴ  Ｃ）において使用され、ＳＭＵ（ＰＡＲＴ  Ｄ）を使用することによるＩ−Ｖ測定のための１つのデバイスを選択する。この例では、各スイッチは、単極双投スイッチであると図示されているが、試験のために一度に１つのデバイスが選択されるならば、他のスイッチ構成、例えば、多極多投構成を用いることができる。デバイスに対してスイッチがオンになると、ＤＣ電圧源（ＰＡＲＴ  Ｇ）が選択されたデバイスに電圧を印加し、対応する電流がＳＭＵ（ＰＡＲＴ  Ｄ）によって測定される。このプロセスは、各電圧ステップで繰り返され、電圧範囲全体をスイープすることによって、選択されたデバイスのＩ−Ｖカーブを得る。データは収集され、コンピュータ（ＰＡＲＴ  Ｆ）のメモリに記憶される。
【００２２】
図６は、サブプログラムＰＡＲＴ  Ｉがスイッチボードを制御するためのユーザインプットを取得するためのユーザインタフェースの例を示す写真である。本例では、マウスのクリックによって手動で選択することによって特定のデバイスを選択するための、例えば、デバイス番号、名前、ＩＤ等のパラメータをユーザが入力するのにコントロールパネルを使用する。さらに、スイッチボードを制御するためのサブプログラムＰＡＲＴ  Ｉは、連続的な測定のためにチャンバ内のＮ個のデバイスの間でデバイスを自動的かつ順番に選択するように構成することができる。ユーザは、ユーザインタフェースを介して所望の順番を入力してもよいし、所定の順番をコンピュータのメモリに記憶し、測定のために読み出してもよい。
【００２３】
図７は、太陽電池の性能を評価するための第１の手順に基づく第１のＩ−Ｖ測定を実行するように構成されたサブプログラムＰＡＲＴ  Ｋの例示を助けるための、Ｉ−Ｖデータの例のプロットを示す。第１の手順は、ペロブスカイト太陽電池の性能評価に用いられる典型的な手順を含む従来の方法であってもよい。第１のＩ−Ｖ測定を実行するためのサブプログラムＰＡＲＴ  Ｋを実行するために入力されるパラメータは、最小電圧Ｖｍｉｎ、最大電圧Ｖｍａｘ、電圧インクリメントＶｓｔｅｐ、電流が連続して測定され平均化される取得時間ｔａ等の電圧制御パラメータを含む。走査方向、すなわち、ＶｍｉｎからＶｍａｘへの方向（すなわち、順方向走査ＦＷ）又はＶｍａｘからＶｍｉｎへの方向（すなわち、逆方向走査ＲＳ）も特定されることができる。光電流密度を測定し、電流Ｉに変換することができる。照度（例えば１ｓｕｎ）、ライトプレソーキング時間、および他の光制御パラメータ等の、光源を制御するためのパラメータも入力される。図７のプロットは、Ｖｍｉｎ＝−０．１Ｖ、Ｖｍａｘ＝０．５Ｖ、Ｖｓｔｅｐ＝１ｍＶ、ｔａ＝３８ｍｓ、および２つの矢印が順方向（ＦＷ）および逆方向（ＲＳ）走査の方向を示す事例を示している。電流は、各電圧増加／減少Ｖｓｔｅｐ後に取得時間ｔａの間連続して測定され、測定された電流値をｔａにわたって平均化して電圧値Ｖでの電流値Ｉを取得することに留意されたい。したがって、取得時間ｔａは比較的短くでき、例えば、第１の手順では、１〜１０ｍｓのオーダーである。
【００２４】
図８は、第１の手順に基づき第１のＩ−Ｖ測定を行うためのサブプログラムＰＡＲＴ  Ｋおよび  ＰＡＲＴ  Ｊに従う例示的なプロセスを示す。サブプログラムＰＡＲＴ  ＫおよびＰＡＲＴ  Ｊに従って第１のＩ−Ｖ測定を開始する前に、スイッチボードは、サブプログラムＰＡＲＴ  Ｉによって制御され、図６に示すコントロールパネルなどのユーザインタフェースを使用してユーザ入力ごとにチャンバ内のデバイスホルダ内のＮ個のデバイスからデバイスを選択、又は、自動的にまたは指定された順序でデバイスを順番に選択する。ステップ８０４において、第１のＩ−Ｖ測定に必要なパラメータ値が取得される。これらのパラメータは、Ｖｍｉｎ、Ｖｍａｘ、Ｖｓｔｅｐ、およびｔａ等の電圧制御パラメータと、照度およびプレソーキング時間等の光制御パラメータと、を含む。これらのパラメータは、コントロールパネルを使用してユーザが入力してもよいし、予め決定してメモリに予め記憶させておき、ステップ８０４で読み出してもよい。ステップ８０８において、光制御パラメータ値に応じて光源を制御して、チャンバの窓を介して光を放出し、測定下のデバイスを照らしてエネルギー、すなわち、光子を供給する。ステップ８１２において、電圧制御パラメータを用いたサブプログラムＰＡＲＴ  Ｊに従って、電圧源を制御してデバイスに電圧を印加する。すなわち、電圧を、各ｔａ後、段階的な増加／減少Ｖｓｔｅｐで変化させ、時間の階段関数の形を与える。段階的増加Ｖｓｔｅｐは、ＦＷ走査の場合に与えられ、段階的減少Ｖｓｔｅｐは、ＲＳ走査の場合に与えられる。ステップ８１６において、ＳＭＵを制御し、各印加電圧について取得時間ｔａの間の電流を測定する。ＦＷ走査の場合、電圧値はＶｍｉｎから始まり、Ｖｍａｘに到達するまで、Ｖｓｔｅｐずつ増加し、ＲＳ走査の場合、電圧値はＶｍａｘから始まりＶｍｉｎに到達するまでＶｓｔｅｐずつ減少する。ステップ８２０において、各印加電圧に対する取得時間ｔａにわたる測定された電流値の平均を得る。得られたＩ対Ｖデータは、メモリに記憶してもよい。ステップ８２４におけるように、他のスキャン方向に対して同じ測定を繰り返す。得られたＩ−Ｖカーブの例を図７にプロットし、主要パラメータ値も示す。実際のプログラミングのためのエンジニアリングフローチャートにおいて、各印加電圧に対する測定および計算のためのステップは、電圧を徐々に変化させることによってｄｏ−ｌｏｏｐで表現されるべきであり、図８に表現されるプロセスフローは、本実施形態に係る第１の手順を説明するためのものであることを当業者は理解されたい。
【００２５】
図９は、太陽電池の性能を評価するための第２の手順に基づく第２のＩ−Ｖ測定を実行するように構成されたサブプログラムＰＡＲＴ  Ｌの例示を助けるための、印加電圧対時間および対応する光電流対時間の例のプロットを示す。挿入図は、図９において破線で囲われた、光電流対時間のプロットの一部の拡大図を示す。光電流の過渡的な挙動が、挿入図にはっきりと見られる。過渡挙動は、ＦＷ走査とＲＳ走査との間の異なる時間依存性を示し、ペロブスカイトベースのオプトエレクトロニクスデバイスにおいて顕著なヒステリシス挙動を示すことにも留意されたい。本システムおよびソフトウェアプログラムでは、第２の手順に基づく第２のＩ−Ｖ測定は、ペロブスカイトベースのオプトエレクトロニクスデバイスの性能評価のためのヒステリシス挙動の分析に向けられている。図９に示すように、階段関数の形の電圧がデバイスに印加される。第２のＩ−Ｖ測定のために入力されるパラメータは、最小電圧Ｖｍｉｎ、最大電圧Ｖｍａｘ、電圧増分Ｖｓｔｅｐ、電流を連続的に測定し記録する取得時間ｔａ等の電圧制御パラメータを含む。走査方向、すなわち、ＶｍｉｎからＶｍａｘへの方向（つまり、順方向走査ＦＷ）又はＶｍａｘからＶｍｉｎへの方向（つまり、逆方向走査ＲＳ）も特定することができる。光電流密度を測定し、電流Ｉに変換することができる。照度（例えば、１ｓｕｎ）、ライトプレソーキング時間および他の光制御パラメータなど、光源を制御するためのパラメータも入力される。電流値および電圧値は、ＦＷ走査およびＲＳ走査のそれぞれについて時間の関数として記録される。記録されたデータは、メモリに記憶され、後で解析のために読み出されてもよい。Ｖｍｉｎ＝−０．１Ｖ、Ｖｍａｘ＝１．０Ｖ、Ｖｓｔｅｐ＝０．１Ｖ、およびｔａ＝１ｓｅｃの場合に測定された、一連の光電流値と印加電圧値との例を図９に示す。
【００２６】
サブプログラムＰＡＲＴ  Ｌは、過渡状態解析プログラムを含む。このプログラムでは、過渡信号モデルを使用して、各電圧値について取得時間ｔａの間に取得された光電流対時間データを、ＦＷ走査およびＲＳ走査に対する以下の方程式（１）および（２）にそれぞれ当てはめる。
【数１】
2019519185.tif 000003
【数２】
2019519185.tif 000004
図１０は、過渡状態−信号モデル方程式（１）および（２）と共に概略Ｉ−Ｖカーブを示し、ＦＷ走査の場合、指数関数的成長を表し、ＲＳ走査の場合指数関数的減衰を表している。Ｉ（∞）は、各場合における定常状態電流であり、すなわち、ｔ→∞における電流である。多指数関数、例えば、上記方程式における３つの項ｉ＝０、１、２が、生データとモデル方程式とを良好に適合させるために必要となる場合がある。時定数パラメータτｉは、一般的に成長／減衰のスピード（速い又は遅い）を特徴づける。
【００２７】
図１１は、上記の過渡信号モデリングを含む第２の手順に基づく第２の測定を実行するためのサブプログラムＰＡＲＴ  Ｌの例示を助けるための、光電流対印加電圧の例のプロットを示す。図１１のこれらのプロット例は、ＭＡＰｂＩ３ベースの太陽電池を用いることによって得られる。図１１において、光電流対印加電圧の４つのプロットが示されており、光電流は、図９に示すように階段関数の形の電圧を印加することにより測定され、光電流の過渡挙動は、方程式（１）および（２）にそれぞれ従うＦＷおよびＲＳに対する過渡信号モデルに基づいて解析される。４つのプロットはそれぞれ、ｔ＝ｔｄ＝５ｍｓのＦＷの場合、ｔ＝ｔｄ＝５  ｍｓのＲＳの場合、ｔ＝ｔｄ→∞のＦＷの場合、およびｔ＝ｔｄ→∞のＲＳの場合の４つの場合に対応する。ここで、ｔｄは過渡期内の遅延時間を表す。ペロブスカイト太陽電池において顕著なヒステリシス効果に起因して、電力変換効率（ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＰＣＥ）は、通常、ＦＷ走査Ｉ−ＶとＲＳ走査Ｉ−Ｖとでは異なる。理想的には、代表的なＰＣＥ値は、ＦＷ走査Ｉ−ＶおよびＲＳ走査Ｉ−Ｖから抽出されたＰＣＥが実質的に一致するときに決定されるべきである。図１１に示す例において、ＦＷ走査方向およびＲＳ走査方向に対してそれぞれ１１．７％および１１．４％の定常状態ＰＣＥ値が抽出されたが、ｔｄ＝５ｍｓでは、ＦＷ走査方向およびＲＳ走査方向に対してそれぞれ１０．６％および１２％の２つの実質的に異なるＰＣＥ値が抽出された。すなわち、定常状態（ｔ＝ｔｄ→∞）では、ＦＷ走査Ｉ−ＶカーブとＲＳ走査Ｉ−Ｖカーブとの間でより良い重なりが得られる。したがって、定常電流値を用いて得られるＰＣＥは、非定常電流値を用いるよりも現実的なデバイス性能を表すと結論付けることができる。
【００２８】
図１２は、過渡信号モデリングを含む第２の手順に基づいて第２のＩ−Ｖ測定を実行するためのサブプログラムＰＡＲＴ  ＬおよびＰＡＲＴ  Ｊの例示的なプロセスを示す。サブプログラムＰＡＲＴ  ＬおよびＰＡＲＴ  Ｊに従って第２のＩ−Ｖ測定を開始する前に、スイッチボードはサブプログラムＰＡＲＴ  Ｉによって制御されて、図６に示すコントロールパネルのようなユーザインタフェースを用いたユーザインプットによりチャンバ内のデバイスホルダ内のＮ個のデバイスの中からデバイスを選択する、又は、自動的に又は指定されたように順にデバイスを選択する。ステップ１２０４において、Ｉ−Ｖ測定に必要なパラメータ値を取得する。これらのパラメータは、Ｖｍｉｎ、Ｖｍａｘ、Ｖｓｔｅｐ、およびｔａ等の電圧制御パラメータ、並びに照度およびプレソーキング時間等の光制御パラメータを含む。これらのパラメータは、コントロールパネルを用いてユーザが入力してもよいし、予め決定してメモリに予め記憶しておき、ステップ１２０４で読み出してもよい。ステップ１２０８において、光制御パラメータに従って、光源は制御され、チャンバの窓を介して光を放出し、測定下のデバイスを照らしてエネルギーすなわち光子を与える。ステップ１２１２において、電圧制御パラメータを有するサブプログラムＰＡＲＴ  Ｊに従って、電圧源を制御し、デバイスに電圧を印加する。すなわち、各ｔａ後に電圧を段階的な増加／減少Ｖｓｔｅｐで変化させ、時間の階段関数の形を与える。ステップ１２１６において、ＳＭＵを制御し、各印加電圧に対し取得時間ｔａの間の電流を測定する。ここで、ＦＷ走査の場合、電圧値は、Ｖｍｉｎで始まり、Ｖｍａｘに到達するまでＶｓｔｅｐずつ増加し、ＲＳ走査の場合、電圧値はＶｍａｘで始まり、Ｖｍｉｎに到達するまでＶｓｔｅｐずつ減少する。ステップ１２２０では、各印加電圧に対する取得時間ｔａの過渡信号モデルに基づいて定常電流値が得られる。得られたＩ対Ｖデータを、メモリに記憶してもよい。ステップ１２２４と同様に、他の走査方向に対して同じ測定を繰り返す。得られたＩ−Ｖカーブの例が図１１にプロットされている。実際のプログラミングのためのエンジニアリングフローチャートにおいて、各印加電圧に対する測定および計算のためのステップは、電圧を徐々に変化させることによってｄｏ−ｌｏｏｐで表現されるべきであり、図１２に示されるプロセスフローは、本実施形態に係る第２の手順を説明するためのものであることを、当業者は理解されたい。
【００２９】
第２のＩ−Ｖ測定を実行するためのサブプログラムＰＡＲＴ  Ｌにおいて、上記の方程式（１）および（２）を用いる過渡信号モデルを使用して、各印加電圧に対してｔａの間に測定された電流値に基づき定常状態電流値Ｉ（∞）を取得する。実際の定常状態電流値は、各段階的増加／減少Ｖｓｔｅｐの後に電流が定常状態に到達するまで長い時間（すなわち、長い取得時間ｔａ）待つことによって取得することができる。しかしながら、この手順によって、測定および評価プロセスに時間がかかりすぎ、スループットの高い自動性能評価を達成するという本来の目的を逸脱してしまう。各電圧値に対してｔａにわたって測定された電流値の平均を得る第１の手順に基づきサブプログラムＰＡＲＫ  Ｋに従って第１のＩ−Ｖ測定が実行される図７において、取得時間ｔａは比較的短く、例えば、１〜１０ｍｓのオーダーであることに留意されたい。一方、過渡信号モデルを使用して定常状態電流値を取得する第２の手順に基づきサブプログラムＰＡＲＴ  Ｌに従って第２のＩ−Ｖ測定を実行する場合、測定された電流値のデータ取り出しは、モデル方程式（１）および（２）へのデータフィッティングが合理的にうまく行われるように十分な長さの時間にわたって継続されるべきである。例えば、取得時間ｔａ＝１０ｓが、図９ではこの目的に使用される。したがって、ユーザが速やかな評価結果を得るために速く測定を行う必要がある場合には、従来から典型的な太陽電池の評価に採用されている平均化手順を含む第１の手順に基づいて第１のＩ−Ｖ測定を実行するためにサブプログラムＰＡＲＴ  Ｋのみを実行してもよい。一方、ユーザがペロブスカイトベースのオプトエレクトロニクスデバイスで顕著なヒステリシス挙動を考慮して評価結果を得る必要がある場合には、サブプログラムＰＡＲＴＬ（過渡信号モデリングを含む第２の手順に基づく第２のＩ−Ｖ測定）を実行すべきである。あるいは、両方を詳細な分析および比較のために実施することができる。
【００３０】
定常状態情報を補うために、図２に示すサブプログラムＰＡＲＴ  Ｍは、定常状態光電流測定を実行するために、少なくともＳＭＵおよびＤＣ電圧源を制御するように構成してもよい。本測定のために入力されるパラメータは、照度、ライトソーキング時間、バイアス電圧、および電流が定常状態に達するまで測定を継続する時間の長さを含む。図１３は、時間の関数としての測定された光電流のプロット例を示す。この測定では、ペロブスカイト太陽電池は、１ｓｕｎの下で照射され、所定時間（この場合は５秒）後、回路を、電池の最大電力点（ｍａｘｉｍｕｍ  ｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔ：ＭＰＰ）に対応する０．８Ｖのバイアス電圧の下で閉じる。この例では、定常状態光電流密度は、５０〜８０秒後に約１６．５ｍＡ／ｃｍ２であると測定される。
【００３１】
サブプログラムＰＡＲＴ  Ｋ（第１のＩ−Ｖ測定）又はＰＡＲＴ  Ｌ（第２のＩ−Ｖ測定）により得られたＩ−Ｖデータに基づき、電力変換効率（ＰＣＥ）、短絡電流（Ｊｓｃ）、開回路電圧（Ｖｏｃ）、最大電力点（ＭＰＰ）、ＭＰＰでの電流（Ｉ＠ＭＰＰ）、ＭＰＰでの電圧（Ｖ＠ＭＰＰ）、および最適な外部抵抗のうちの少なくとも１つを含む様々な性能パラメータを抽出することができる。ＭＰＰは、Ｉ−Ｖカーブにおいて、ＩｘＶが最大値を与える点であると定義され、最適な外部抵抗は、Ｖ＠ＭＰＰ／Ｉ＠ＭＰＰであると定義される。これらの性能パラメータは、ＦＷ走査とＲＶ走査とに対して別々に得られ、両方の走査の平均値も得ることができる。
【００３２】
第１のＩ−Ｖ測定および第２のＩ−Ｖ測定の各々は、各デバイスの安定性プロファイルを得るために所定の間隔（例えば、１時間）で繰り返し実行することができる。サブプログラムＰＡＲＴ  Ｎを使用して安定性測定を実施することができ、Ｉ−Ｖ測定を所定の間隔で繰り返してデバイス性能の時間発展を得る。サブプログラムＰＡＲＴ  Ｎは、第１のＩ−Ｖ測定および第２のＩ−Ｖ測定をそれぞれ繰り返すためのサブプログラムＰＡＲＴ  ＫおよびＰＡＲＴ  Ｌに従って、少なくともＳＭＵおよびＤＣ電圧源を制御するように構成してもよい。第１のＩ−Ｖ測定および第２のＩ−Ｖ測定の１つを選択して繰り返すこともできるし、又は、両方を選択して繰り返すこともできる。Ｉ−Ｖデータに基づいて性能パラメータを抽出するためのサブプログラムは、ＰＡＲＴ  Ｋ（例えば、各第１のＩ−Ｖ測定後）、ＰＡＲＴ  Ｌ（例えば、各第２のＩ−Ｖ測定後）、主制御プログラムＰＡＲＴ  Ｈ、又は安定性測定サブプログラムＰＡＲＴ  Ｎ（例えば、所定の間隔で異なる時間に採取されたＩ−Ｖデータの集合を収集した後）に含まれていてもよい。
【００３３】
安定性測定を実行するためのサブプログラムＰＡＲＴ  Ｎを実行するために入力されるパラメータは、Ｉ−Ｖ測定を繰り返す時間間隔、例えば１時間に１回、および負荷との連続動作をシミュレートするためのバイアス電圧が含まれる。デバイスがＭＰＰで動作する負荷をシミュレートするために、各インターバル内で電流データと電圧データとが取られていない期間にバイアス電圧がデバイスに印加される。性能パラメータを抽出し、保存し、時間の関数としてプロットすることができる。
【００３４】
図１４は、Ｖ＠ＭＰＰ、Ｉ＠ＭＰＰ、ＭＰＰ、および最適外部抵抗値の時間発展の例のプロットを示し、（ａ）はＦＷ走査の場合、（ｂ）はＲＳ走査の場合である。６個のＭＡＰｂＩ３ベースの太陽電池を試験デバイスとして用い、１時間間隔で１００時間測定する。各測定は、過渡信号モデリングを含む第２の手順に基づく。
【００３５】
図１５は、ＰＣＥ、Ｊｓｃ、ＶｏｃおよびＦＦの時間発展の例のプロットを示し、（ａ）はＦＷ走査の場合、（ｂ）はＲＳ走査の場合である。６個のＭＡＰｂＩ３ベースの太陽電池を試験デバイスとして用い、１時間間隔で１００時間測定する。各測定は、過渡信号モデリングを含む第２の手順に基づく。
【００３６】
図２のサブプログラムＰＡＲＴ  Ｐを使用して、デバイス性能に対する環境影響の分析のために、チャンバ（ＰＡＲＴ  Ａ）内の相対湿度および温度を含む環境を監視する。安定性測定（ＰＡＲＴＮ）中に環境条件を監視するために、１つ以上のＩＣベースのセンサをチャンバに取り付けてもよい。監視を実行するために入力されるパラメータには、監視間隔および時間の長さが含まれる。相対湿度および温度データが記録される。図１６は、１００時間の相対湿度（ＲＨ）および温度（Ｔ）の値の例のプロットを示す。
【００３７】
システムがＬＥＤ、レーザおよび他の発光デバイスの性能評価に使用される場合、サブプログラムＰＡＲＴ  Ｏを使用して、光検出器（ＰＡＲＴ  Ｂ）からのデータの取得を制御してもよい。試験デバイスに太陽電池を有する場合と同様に、チャンバ内のデバイスホルダ内のＮ個のデバイス中のデバイスは、サブプログラムＰＡＲＴ  Ｉに従ってスイッチボードを介して選択される。電圧は、電圧制御パラメータを有するサブプログラムＰＡＲＴＪに従ってデバイスに印加される。発光デバイスにおいて、電子正孔電荷キャリアが結合して、活性層、すなわち本例ではペロブスカイト層に光子が生成され、発生した光がチャンバに取り付けられた窓を通って光検出器に到達する。光検出器によって捕捉されたデータは、分析のためにコンピュータのメモリに記憶することができる。
【００３８】
本文書は多くの特定を含むが、これらは発明または特許請求されたものの範囲を限定すると解釈されるべきではなく、発明の特定の実施形態の特徴を明示するものと解釈されるべきである。本文書において別々に実施形態の文脈において述べられたある特徴は１つの実施形態の中で組み合わせることもできる。反対に、１つの実施形態の文脈の中で述べられた様々な特徴は、別々の複数の実施形態または適当なサブコンビネーションに実装することもできる。さらに、特徴が特定の組み合わせで作用するもの、および初めに特許請求された特徴として説明されていても、ある場合には特許請求された組み合わせのうち１つ以上の特徴が、その組み合わせから用いられてもよいし、また特許請求されたものの組み合わせは、サブコンビネーションまたは種々のサブコンビネーションの変形を対象にしてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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2019519185.tif 000022